降低木薯酒精生產(chǎn)綜合能耗的技術(shù)途徑

張齊軍，韋繼高，梁智

1(廣西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西南寧，530001)2(廣西平果凱特生物化工有限公司，廣西平果，531400)3(廣西輕工業(yè)科學(xué)技術(shù)研究院，廣西南寧，530031)

木薯作為一種非糧經(jīng)濟(jì)作物，用于酒精生產(chǎn)具有不與人類爭(zhēng)糧食、成本低廉等優(yōu)勢(shì)，是國(guó)家重點(diǎn)支持發(fā)展的產(chǎn)業(yè)。隨著我國(guó)科技水平的不斷提高和經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)的持續(xù)優(yōu)化，鮮木薯生產(chǎn)酒精存在的諸多問(wèn)題逐漸突現(xiàn)，主要表現(xiàn)為企業(yè)規(guī)模?。?］、技術(shù)水平低、設(shè)備落后、物耗能耗偏高、環(huán)保壓力大、管理粗放。近年來(lái)，我國(guó)大力推行節(jié)能減排、關(guān)停并轉(zhuǎn)、淘汰落后產(chǎn)能產(chǎn)業(yè)政策，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)健康發(fā)展;與此同時(shí)，必須對(duì)舊的生產(chǎn)方式進(jìn)行變革創(chuàng)新，大量應(yīng)用新技術(shù)、新工藝、新設(shè)備，更新管理模式，實(shí)行精細(xì)化管理，才能真正實(shí)現(xiàn)資源節(jié)約、節(jié)能減排和持續(xù)發(fā)展。因此，在新的能源價(jià)格體系、新的技術(shù)水平、更高的裝備制造技術(shù)和新的競(jìng)爭(zhēng)格局下，從精細(xì)管理水平、工藝創(chuàng)新優(yōu)化及應(yīng)用先進(jìn)裝備方面，對(duì)鮮木薯制酒精的節(jié)能技術(shù)進(jìn)行研究探討，想方設(shè)法降低物耗能耗水平，是非常必要和十分有意義的;對(duì)促進(jìn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展，提高木薯酒精產(chǎn)業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益具有重要作用。

1 鮮木薯制酒精工藝及特點(diǎn)

1.1 鮮木薯制酒精工藝流程

鮮木薯→去皮、清洗→粉碎→拌料→噴射液化→蒸煮后熟→真空冷卻→糖化→冷卻→連續(xù)發(fā)酵→差壓蒸餾→優(yōu)級(jí)酒精

1.2 工藝特點(diǎn)

1.2.1 去皮與清洗

在鮮木薯生產(chǎn)酒精過(guò)程中，大多數(shù)企業(yè)采用的工藝流程沒(méi)有清洗、去皮這一工序，而是直接碎解后蒸煮，是一種較粗放的生產(chǎn)方式。去皮與清洗是先用滾筒脫皮機(jī)除去鮮木薯的外皮及附帶的泥沙，經(jīng)螺旋洗薯機(jī)將鮮木薯洗凈再行碎解，減少外皮、泥沙等進(jìn)入后續(xù)生產(chǎn)流程，達(dá)到除去部分氫氰酸、節(jié)約能源和減輕發(fā)酵廢液處理負(fù)荷的目的。

1.2.2 三級(jí)粉碎

本工藝采用破碎、粗碎、細(xì)碎三級(jí)粉碎流程替代原來(lái)的兩級(jí)粉碎，提高粉碎操作效率，降低電耗。

1.2.3 噴射液化

隨著耐高溫α－淀粉酶耐熱穩(wěn)定性的提高，淀粉質(zhì)原料生產(chǎn)酒精普遍應(yīng)用噴射液化法液化淀粉漿。噴射液化與傳統(tǒng)高溫蒸煮相比，具有液化溫度較低、受熱均勻、作用迅速、液化效果好、糖分損失小等優(yōu)點(diǎn)，能提高出酒率，降低蒸汽用量。

1.2.4 蒸煮醪冷卻

淀粉漿噴射液化、保溫后熟后，常采用真空閃蒸冷卻工藝，冷卻到糖化溫度進(jìn)行糖化，此種工藝能通過(guò)閃蒸作用去除部分易揮發(fā)性有害雜質(zhì)，但浪費(fèi)了部分熱能，增加了電耗。從提高熱利用率考慮，先用螺旋板式換熱器使液化醪與淀粉漿進(jìn)行偶聯(lián)換熱，回收大部分熱能，再經(jīng)真空冷卻系統(tǒng)冷卻到糖化溫度，能避免蒸煮醪所含熱能的浪費(fèi);而且也能保證易揮發(fā)性雜質(zhì)的排除。

1.2.5 差壓蒸餾［2－3］

在蒸餾的諸多節(jié)能技術(shù)措施中，差壓蒸餾是目前應(yīng)用最普遍、最成熟、最有效的一項(xiàng)。差壓蒸餾是利用真空裝置控制各塔不同的壓力，實(shí)現(xiàn)蒸汽在各塔之間多次重復(fù)利用，提高熱效率，減少蒸汽用量，達(dá)到節(jié)能的目的。

2 鮮木薯制酒精主要耗能工序

2.1 主要耗電工序

木薯原料生產(chǎn)酒精的主要耗電工序包括:物料輸送、給排水、粉碎、差壓蒸餾抽真空、蒸餾回流等。其中，粉碎工段耗電量最大，若按某公司為廣西新天德能源有限公司裝備的10萬(wàn)t/年木薯原料特優(yōu)級(jí)食用酒精生產(chǎn)線設(shè)備表核算，該項(xiàng)占到56.12%。

2.2 主要耗汽工序

木薯原料生產(chǎn)酒精的主要耗汽工序包括蒸煮、蒸餾兩個(gè)工段。熱量計(jì)算顯示，蒸餾約占總蒸汽用量的60%，蒸煮則占35%，其余為熱損及少量糖化、連續(xù)發(fā)酵工段等的用汽［4］。

可見(jiàn)，木薯原料生產(chǎn)酒精主要耗能工段是粉碎、蒸煮和蒸餾，如何降低這些工段的綜合能耗，是鮮木薯生產(chǎn)酒精節(jié)能的核心。

3 木薯酒精生產(chǎn)節(jié)能技術(shù)探討

由于能源價(jià)格持續(xù)上漲和節(jié)能減排任務(wù)日趨嚴(yán)峻，發(fā)酵法酒精生產(chǎn)節(jié)能技術(shù)一直是業(yè)界研究的熱點(diǎn)，取得了不少成果，如生料發(fā)酵工藝［5］、低溫蒸煮工藝、差壓蒸餾等。這些新技術(shù)、新工藝、新設(shè)備的實(shí)施，均已取得一定的節(jié)能效果;然而，木薯酒精生產(chǎn)的節(jié)能降耗還有很大潛力可挖，值得進(jìn)一步深入研究。

3.1 鮮木薯去皮、清洗與節(jié)能

鮮木薯清除泥沙、表皮后再進(jìn)入生產(chǎn)流程，可明顯減少電耗和蒸汽消耗。根據(jù)目前企業(yè)生產(chǎn)實(shí)際情況，從種植農(nóng)戶收購(gòu)的鮮木薯，普遍含2.0%～3.5%泥沙、薯外皮等雜質(zhì)。生產(chǎn)時(shí)首先去皮及洗滌處理，能避免此部分非發(fā)酵性物質(zhì)進(jìn)入后續(xù)生產(chǎn)流程。根據(jù)廣西平果凱特生物化工有限公司多年生產(chǎn)酒精生產(chǎn)的實(shí)際情況，鮮木薯的平均單耗為6.8 t/t酒精，加水碎解后得到13.0 m3淀粉漿，相當(dāng)于鮮木薯帶入的泥沙、薯皮等雜質(zhì)被放大了13.0/6.8，即1.91倍;據(jù)此，理論上去皮、清洗能降低電耗、汽耗為2.0%～3.5%的1.91倍，即各3.82%～6.69%。即使增加滾筒脫皮機(jī)、螺旋洗薯機(jī)，由于它們?yōu)榈娃D(zhuǎn)速設(shè)備，所需功率小，兩臺(tái)機(jī)增加電能只占總電耗1.04%，上述節(jié)電數(shù)據(jù)變?yōu)?.78%～6.62%;節(jié)汽仍為3.82%～6.69%。

3.2 粉碎工段的節(jié)能措施

木薯制酒精在發(fā)酵前必須經(jīng)粉碎、液化、糖化處理，使淀粉水解為可發(fā)酵性糖供酵母發(fā)酵產(chǎn)生乙醇。對(duì)于粉碎工段，選擇何種粉碎工藝、粉碎設(shè)備、粉碎比、粉碎細(xì)度等對(duì)能耗、可發(fā)酵性糖損失、出酒率都有重要影響。

3.2.1 電、煤價(jià)格變化對(duì)酒精生產(chǎn)能耗的影響

目前我國(guó)能源供應(yīng)以煤為主，受到資源短缺和環(huán)境污染的雙重約束;電則有煤電、水電、核電、風(fēng)電等多種形式，而且水電資源十分豐富。因此，最近十多年，盡管電、煤價(jià)格均呈上漲趁勢(shì)，但煤價(jià)與電價(jià)比上升更明顯。所以在工藝流程及操作條件選擇上，應(yīng)創(chuàng)新傳統(tǒng)工藝，適應(yīng)這種變化，想法以電耗代替煤耗(汽耗)，提升綜合能效，降低木薯酒精生產(chǎn)成本，提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。

3.2.2 粉碎度、蒸煮溫度與綜合能耗

原料粉碎是高耗電工段，蒸煮則是高耗汽工段;粉碎細(xì)度與蒸煮溫度、蒸煮時(shí)間及淀粉出酒率、耗汽量相互制約，如何選擇相關(guān)工藝參數(shù)對(duì)綜合能耗有很大影響。原料進(jìn)行蒸煮前，預(yù)先經(jīng)過(guò)粉碎，增大其表面積，以增加原料與蒸汽的接觸面，提高熱處理效率，利于淀粉酶將淀粉顆粒水解為可發(fā)酵性糖。粉碎細(xì)度選擇的關(guān)鍵是保證高出酒率的同時(shí)，降低綜合能耗，按當(dāng)前煤電比價(jià)關(guān)系，粉碎粒度應(yīng)盡量細(xì)些，理由是:(1)粉碎粒度細(xì)，可采用較低的蒸煮溫度即得到良好的糊化效果［6］，且不會(huì)造成不溶性淀粉的增加;(2)采用較低蒸煮溫度，能有效抑制蒸煮過(guò)程中糖的化學(xué)變化，減少黑色素、焦糖等不可發(fā)酵性糖的形成。因此，提高粉碎細(xì)度，可使用低溫蒸煮，以保持最低的可發(fā)酵物總損失，并達(dá)到節(jié)能目的。

3.2.3 粉碎工藝選擇

粉碎是酒精生產(chǎn)高耗能工段之一，應(yīng)合理利用粉碎規(guī)則降低能耗［7］。對(duì)鮮木薯碎解，目前工藝多采用二級(jí)粉碎，分配到各級(jí)的粉碎比很大，能耗亦高;而且全部拌料用水在粗碎加入，明顯與粉碎規(guī)則不符，造成總功耗偏高。更合理、科學(xué)的工藝應(yīng)是，在粗碎前增加一級(jí)破碎，使之變?yōu)槠扑?、粗碎、?xì)碎三級(jí)粉碎，從而獲得最佳的粉碎比。鮮木薯?xiàng)l長(zhǎng)尺寸范圍較大，一般為200～500 mm，若一次性粗碎為14～16 mm，其粉碎比是13～36，與操作效率最高的粉碎比4相差太大，效率較低。增加一級(jí)破碎，也可稱預(yù)粉碎，不帶篩網(wǎng)，使粗碎前原料尺寸變小為25～30 mm;再進(jìn)行粗碎和細(xì)碎，其中粗碎篩網(wǎng)孔徑5～7 mm，細(xì)碎篩網(wǎng)孔徑0.8～1.0 mm，使各級(jí)粉碎比盡可能接近4。增加一級(jí)粉碎，既不會(huì)增加電耗［8］;還可降低蒸煮溫度，達(dá)到節(jié)電節(jié)汽的目的。

3.3 蒸煮工段的節(jié)能技術(shù)

蒸煮工段節(jié)能措施可從蒸煮熱量衡算式［9］分析，其計(jì)算式為:

式中，GJ─ 料漿量，kg/h;t1─ 料漿溫度，℃;CJ─ 料漿比熱，kJ/(kg·℃);t2─ 蒸煮(液化器出口)溫度，℃;I─ 蒸汽熱焓，kJ/kg;cw─水的比熱，kJ/(kg·℃)。

從計(jì)算公式不難看出，在供汽條件一定的情況下，蒸煮的蒸汽用量主要與料漿溫度、蒸煮溫度、料漿量有關(guān)，它們對(duì)能耗的影響分析如下:

3.3.1 提高料漿溫度

料漿溫度越高，蒸煮耗汽越小;但料漿溫度還受原料糊化溫度、耐高溫α－淀粉酶最適溫度等制約。木薯淀粉糊化起始、完成溫度分別為 52℃、64℃［10］，可見(jiàn)料漿溫度應(yīng)控制在52℃左右，不能太高;否則料漿已經(jīng)起糊，而耐高溫α－淀粉酶在此溫度下液化作用尚不明顯，造成料漿呈糊狀或半糊狀，給生產(chǎn)操作帶來(lái)困難和麻煩。因此，為減少蒸汽用量最好控制料漿溫度于52℃或略高。

3.3.2 降低蒸煮溫度

降低蒸煮溫度能減少蒸汽用量。按蒸煮前淀粉漿預(yù)熱到52℃、加熱蒸汽壓力0.3 MPa、噸酒蒸煮醪量、醪液比熱等參數(shù)設(shè)為定值的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，用公式(1)計(jì)算，得圖1。圖1非常直觀地顯示了蒸煮溫度與蒸汽耗量間的相互關(guān)系。

圖1 蒸煮溫度與蒸汽耗量的關(guān)系

同時(shí)，由于原料粉碎得更細(xì)，縮短了傳熱時(shí)間，受熱更均勻，再結(jié)合使用諾維信最新開(kāi)發(fā)的利可來(lái)耐高溫α－淀粉酶(SC型)，生產(chǎn)試驗(yàn)證明，可將原來(lái)普遍采用的較高蒸煮溫度(噴射液化溫度)降低，即由108℃降低為88～92℃，取中間值90℃，按(1)式計(jì)算，蒸煮溫度108℃時(shí)耗，汽量為1 008.63 kg蒸汽/t酒;蒸煮溫度降為90℃時(shí)耗汽684.38 kg蒸汽/t酒，理論上可節(jié)約蒸汽32.15%。按蒸煮占總耗汽35%計(jì)算，降低蒸煮溫度能減少總蒸汽用量11.25%。

3.3.3 減少料漿量

減少料漿量可從兩方面降低能耗。一方面是提高料漿濃度，處理量變小，蒸煮蒸汽用量隨之減少;另一方面，提高料漿濃度相當(dāng)于濃醪發(fā)酵，能提高發(fā)酵成熟醪酒分，使蒸餾耗汽量降低。通過(guò)計(jì)算成熟醪量、成熟醪帶入熱量、塔底殘液帶走熱量等，并確定醪塔初、終溫和加熱蒸汽壓力等進(jìn)行一系列復(fù)雜的物料熱量計(jì)算［9］，可得到成熟醪酒分與蒸餾耗汽量之間關(guān)系，見(jiàn)圖2。

圖2 成熟醪酒分與蒸汽耗量之間關(guān)系

圖2顯示，提高發(fā)酵成熟醪酒分，具有一定節(jié)能效果。如發(fā)酵成熟醪酒分為9%時(shí)，蒸餾耗汽為2 437.2 kg/t酒;發(fā)酵成熟醪酒分為10%時(shí)，蒸餾耗汽為2 342.1 kg/t酒，理論上可節(jié)約蒸汽3.90%。

3.4 蒸餾節(jié)能技術(shù)

以發(fā)酵法生產(chǎn)酒精，蒸餾工段耗汽約占總耗汽的60%，如何降低蒸餾系統(tǒng)能耗顯然是酒精生產(chǎn)節(jié)能重點(diǎn)。

3.4.1 差壓蒸餾節(jié)能作用

以木薯制優(yōu)質(zhì)食用酒精，采用間接式多塔精餾流程，各塔需引入蒸汽加熱。差壓蒸餾是通過(guò)真空控制各塔壓力差及沸點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)蒸汽多次重復(fù)利用，提高熱效率，降低蒸汽耗量。對(duì)于常用的四塔間接式蒸餾流程，蒸汽潛熱得到3次重復(fù)利用，理論上可減少2/3的熱消耗，考慮到已采用熱偶重復(fù)利用熱量等，差壓蒸餾技術(shù)比常壓蒸餾實(shí)際節(jié)約蒸汽達(dá)到40%以上。

3.4.2 熱泵技術(shù)

熱泵是使熱量由低位能向高位能轉(zhuǎn)移，從而提高蒸汽潛熱的裝置。有兩條技術(shù)途徑:一是利用高壓蒸汽，通過(guò)蒸汽噴射器，將廢液、冷凝水等自蒸發(fā)產(chǎn)生的二次蒸汽及其他低壓蒸汽提高位能變成中壓蒸汽加以回收利用;二是通過(guò)往復(fù)壓縮機(jī)，將低壓蒸汽壓縮為中壓蒸汽加以利用，達(dá)到節(jié)能的目的。

蒸餾廢醪盡管已經(jīng)過(guò)偶聯(lián)換熱回收部分余熱，但排醪溫度仍高達(dá)63℃左右，甚至更高，尚有相當(dāng)數(shù)量余熱值得回收利用［11］。使用熱泵技術(shù)，通過(guò)自蒸發(fā)作用，若使廢醪溫度由63℃降至45℃，按每噸酒精得到12 t廢醪計(jì)算其放出的顯熱，結(jié)果顯示，理論上可節(jié)約壓力為0.3 MPa蒸汽408.47 kg/t酒精，為噸酒精總耗汽的10.21%～9.73%(按單耗4.0～4.2噸蒸汽/t酒計(jì)算，數(shù)據(jù)來(lái)自廣西平果凱特生物化工有限公司)。

3.5 其他節(jié)能措施

由于能源價(jià)格的增長(zhǎng)速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)廠房、設(shè)備及自控裝置價(jià)格的增長(zhǎng)速度，必須重視其他節(jié)能措施的運(yùn)用。如根據(jù)現(xiàn)時(shí)的操作費(fèi)用、設(shè)備費(fèi)用重新核定最適回流比，其值呈現(xiàn)降低趁勢(shì)，甚至可小到最小回流比的1.05倍;合理增大板間距和汽速;適當(dāng)增加塔板數(shù);加大設(shè)備保溫層厚度和采用先進(jìn)自動(dòng)控制裝置，都有明顯的節(jié)能效果。

4 結(jié)論

(1)電、煤價(jià)格呈逐漸上漲趁勢(shì)，而煤電比價(jià)漲勢(shì)更明顯，在節(jié)能降耗方面應(yīng)科學(xué)利用這種變化趨勢(shì)，降低生產(chǎn)成本，提高經(jīng)濟(jì)效益。

(2)鮮木薯制酒精，除泥沙、去皮并清洗后粉碎，可節(jié)電3.78%～6.62%，節(jié)汽3.82%～6.69%。

(3)增加粉碎級(jí)數(shù)，提高粉碎細(xì)度，既可節(jié)電，還可通過(guò)降低蒸煮溫度，節(jié)約蒸煮用汽32.15%。

(4)提高料漿濃度，既可減少蒸煮用汽量，又能提高成熟醪酒分，實(shí)現(xiàn)綜合節(jié)能目的。

(5)差壓蒸餾比常壓蒸餾節(jié)汽超過(guò)40%;采用熱泵技術(shù)可回收廢液部分余熱，節(jié)汽10.21%～9.73%。

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